7.1. Переваги сигналів з розширеним спектром та їх формування

В процесі розвитку та вдосконалення радіосистем виникло ряд протиріч. З однієї сторони необхідно збільшувати кількість абонентів та швидкість передавання інформації, що вимагає збільшення частотного ресурсу. З іншої сторони частотний ресурс являється обмеженим, тому неможливо його безмежно збільшувати, причому також неможливо нескінченно зменшувати смугу частот для окремого користувача. Отже для розв’язання даної проблеми необхідний інший, принципово новий, підхід до побудови радіосистем.

Також поряд із стаціонарними застосуваннями (радіо та телевізійне мовлення) все більшого поширення набувають мобільні варіанти. Для таких систем наявні небажані спотворення передаваних сигналів (федінг) спричинені явищем багатопроменевого поширення хвиль, що зменшує дальність та погіршує якість зв'язку.

Все це стимулювало пошук нових методів модуляції, відмінних від вузькосмугових. Одним з методів, який дозволяє одночасно усунути основні протиріччя, тобто кардинально збільшити кількість користувачів в обмеженому частотному спектрі та значно покращити якість приймання в умовах багатопроменевого поширення хвиль являється використання модульованих сигналів з розширеним (шумоподібним) спектром. По суті таке вирішення проблеми являється революційним, адже замість вузькосмугового каналу для кожного абонента (адже для підвищення ефективності системи в цілому ширина каналу для кожного абонента повинна бути якомога вужчою) пропонується кожному абоненту надати всю повну смугу частот. Отже, в одній спільній широкій смузі частот будуть функціонувати всі абоненти.

Таким чином, приходимо до поняття сигналів з розширеним спектром (СРС). Характерною особливістю даних сигналів являється те, що в них спеціально здійснюється розширення спектру однієї з компонент утворення модульованого сигналу ( інформаційного сигналу або несучого коливання ) з метою підвищення надійності передавання. Відношення ширини ΔF смуги частот СРС до ширини смуги повідомлення Δf_s характеризується коефіцієнтом розширення спектру (Speading Factor), який також визначає базу сигналу:

або SF= ΔFT_s (7.1)

Очевидно, що для сигналів СРС виконується умова SF= ΔFT_s>>1, а для простих сигналів SF . При розгляді таких сигналів переважно не використовують поняття несучої частоти сигналу, яка являється «розмитою» вздовж смуги частот, а поняття центральної частоти заданої смуги частот (рис.7.1)

Р ис.7.1. Спектр вузькосмугового сигналу (1) та СРС (2)

Додатнім фактором використання сигналів СРС являється те, що в даному випадку значна кількість абонентів може використовувати всю виділену смугу частот, що забезпечує можливість передавання інформації з високою швидкістю. Також умовою ефективного функціонування систем з використанням СРС являється забезпечення спектру близького до спектру випадкового сигналу. Але виникає логічне питання – як розділити значну кількість абонентів в спільному каналі? Тому сигнали СРС формуються таким чином, що кожному з абонентів надається персональна розширююча послідовність, яка дозволяє абонентам ефективно виділяти з ефіру призначений тільки їм сигнал. Оскільки загальна кількість кодів може бути досить значною, то і кількість абонентів також може значно перевищувати їх кількість у випадку виділення кожному абоненту окремого каналу, нехай і вузькосмугового.

До переваг систем з розширеним спектром також відноситься їх більша стійкість до федінгу, порівняно з вузькосмуговими сигналами. Така перевага пояснюється тим, що при випадкових змінах параметрів в середовищі поширення, їх дестабілізуючий вплив поширюється лише на незначну ділянку спектру модульованого сигналу. В результаті для розширених сигналів більша частина спектру залишається незмінною, що дозволяє достовірно відновити прийняту інформацію. Таким чином, застосування широкосмугових сигналів дозволяє вирішити багато проблем мобільного зв'язку: підвищити пропускну здатність системи, ослабити вплив федінгу та зосереджених вузькосмугових завад, збільшити швидкість передавання інформації.

Для того, щоб система належала до систем з розширеним спектром повинні виконуватись наступні умови.

1. Використовувана смуга частот значно більша за мінімальну смугу необхідну для передавання даних.

2. Розширення спектру здійснюється з допомогою розширюючої псевдовипадкової послідовності, яка не залежить від передаваної інформації.

3. Відновлення переданих даних приймачем (звуження спектру) здійснюється шляхом порівняння отриманого сигналу та синхронізованої копії розширяюючої послідовності.

Варто зауважити, що розширення спектру також відбувається при використанні частотної вузькосмугової модуляції. Але таку модуляцію не можна віднести до широсмугової, оскільки вона не задовільняє всі вище приведені умови.

На рис.7.2. приведено методи перетворення вузькосмугової модуляції в широкосмугову.

Рис.7.2. Утворення системи з широкосмуговою модуляцією

Використовуються різні способи формування сигналів СРС: безпосереднє розширення спектру цифровою послідовністю (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) та розширення спектру скачками частоти (Frequency Hopping Spectrum Spreading -FHSS). Хоча формально в передавачі і здійснюється модуляція заданої несучої частоти високошвидкісним цифровим сигналом, але спектр модульованого сигналу в робочій смузі частот мало залежить від методу модуляції та являється майже рівномірним, тобто шумовим. З точки зору кількості несучих коливань сигнали СРС можна вважати багатомірними. Іншою крайністю являються вузькосмугові модульовані (амплітудно, частотно, фазово) сигнали. Їх можна розглядати як одномірні, тобто наявність в модульованому сигналі єдиної несучої частоти, в околі якої наявний спектр інформаційного сигналу.

Обидва класи розглянутих сигналів можна розглядати, як два полярних випадки. Але крім них також використовуються багатомірні модульовані сигнали, які займають деяке середнє положення між вузькосмуговими модульованими сигналами та СРС. Суть багатомірної модуляції полягає в розділенні модулюючого цифрового сигналу з символьною швидкістю передавання інформації D на N паралельних цифрових сигналів, причому швидкість передавання даних в кожному каналі становить D/N, та модуляцію сформованими низькошвидкісними цифровими сигналами N несучих частот, розташованих максимально близько між собою (OFDM модуляція). В результаті при загальній незмінній символьній швидкості передавання інформації D тривалість імпульсів в кожному низькошвидкісному каналі збільшується в N разів, що сприяє підвищенню достовірності приймання таких сигналів в каналах з федінгом.

В сучасних системах зв'язку база сигналів СРС (7.1) в більшості випадків не перевищує значення 100. Реалізація більш високого значення даного коефіцієнту зв’язана із значними технічними проблемами, в першу чергу, з великою символьною швидкістю розширюючої кодової послідовності. Для систем з сигналами FHSS підвищення швидкості сканування обмежено швидкістю перестроювання синтезаторів частоти. Для систем з сигналами DSSS підвищення швидкості кодової послідовності приводить до суттєвого збільшення помилок тактової синхронізації в приймачі. Один з шляхів можливості подальшого збільшення бази сигналів СРС полягає у використанні надширокосмугових сигналів (Ultra Wide Band – UWB).

На рис.7.3. приведена узагальнена схема цифрової системи зв’язку

Рис.7.3. Узагальнена схема цифрової системи зв'язку

На основі даної структурної схеми, в залежності від її модифікації, можна отримати різні системи з використанням широкосмугових сигналів:

• розширюючи (рис.7.4, рис.7.5) за псевдовипадковим законом інформаційний сигнал (що стосується змін в між т.1, т.2, та т.5, т.6), в результаті чого отримуємо систему DSSS, або DSSS CDMA;

• розширюючи (рис.7.6) за псевдовипадковим законом частоту генератора (що стосується змін в т.7, т.8), формуючи тим самим сигнал FHSS.

Модифікація структурної схеми (рис.7.3) при використанні сигналів DSSS полягає в її доповненнях, приведених на рис.7.4(а,б).

1. б)

Рис.7.4. Зміни в структурній схемі (рис.7.3) при формуванні сигналів DSSS: (а) - передавача; (б) - приймача

В даній системі кожному користувачу призначається своя кодова послідовність, з добрими кореляційними характеристиками, при яких всі розширені сигнали суттєво відрізняються між собою. В приймачі сигнал декодується за допомогою кодової послідовності, призначеної даному користувачеві , в результаті чого формується первинний вузькосмуговий модулюючий сигнал.

Окремий випадок представляє собою система DSSS CDMA (рис.7.5). З однієї сторони в ній можна використати псевдовипадкові послідовності одночасно як для розширення спектру, так і кодового розділення різних абонентів. Але псевдовипадковим послідовностям властиві небажані кореляційні залежності між ними, що погіршує розділення каналів. Для покращення розділення каналів доцільно використати ортогональні послідовності, наприклад, послідовності Уолша. Але для останніх характерні лише незначні прояви псевдовипадковості.

а) б)

Рис.7.5. Формування широкосмугових сигналів для систем DSSS CDMA:

(а) - передавача; (б) - приймача

Тому в даному випадку використовується досить оригінальне вирішення проблеми, тобто використовуються сумісно обидві послідовності, кожна з яких краще реалізує окремі вимоги. Отже, в даному випадку для покращення псевдовипадкових властивостей широкосмугового сигналу, утвореного послідовностями Уолша, здійснюється додаткове скремблювання, шляхом посимвольного перемноження з псевдовипадковими послідовностями. В результаті, в певній мірі, вдало поєднуються переваги як послідовностей Уолша, так і псевдовипадкових послідовностей. Сигнали з розширеним спектром за методом DSSS в повній мірі відповідають суті розширеного спектру, тобто в кожен момент часу займають всю широку смугу частот.

При формуванні розширеного спектру із стрибкоподібним перестроюванням частоти - FHSS структурна схема (рис.7.3) модифікується наступним чином (рис.7.6).

Отже, в даному випадку широкосмуговий сигнал формується шляхом надання широкосмугових властивостей іншій компоненті, що використовується при модуляції, а саме несучому коливанню. Варто зауважити, що сигнали сформовані методом FHSS дещо в меншій мірі відповідають поняттю широкосмуговості – адже в кожен момент часу вони займають лише частину відведеного спектру. Кожен з приведених методів має свої переваги та недоліки.

а) б)

Рис.7.6. Зміни в структурній схемі (рис.7.3) при формуванні сигналів FHSS: (а) - передавача; (б) – приймача